摘要：

2023年7月，臺(tái)風(fēng)“杜蘇芮”導(dǎo)致北京市及周邊地區(qū)出現(xiàn)災(zāi)害性天氣，密云水庫(kù)上游流域普降大到暴雨。針對(duì)密云水庫(kù)上游河道水體，選取北京“23·7”特大暴雨前后6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面、9項(xiàng)指標(biāo)作為研究對(duì)象，分析北京“23·7”特大暴雨對(duì)密云水庫(kù)上游水體水質(zhì)的影響。結(jié)果表明：北京“23·7”特大暴雨過(guò)程中，密云水庫(kù)上游水體水質(zhì)變化趨勢(shì)顯著。水庫(kù)上游河道水體水溫呈先下降后上升趨勢(shì)；暴雨中期，pH下降趨勢(shì)顯著，濁度上升幅度較大。暴雨期間，水體理化環(huán)境發(fā)生改變，營(yíng)養(yǎng)鹽及有機(jī)綜合指標(biāo)濃度呈先上漲后漸趨于平穩(wěn)態(tài)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：

水質(zhì)分析； 環(huán)境影響； 北京“23·7”特大暴雨； 密云水庫(kù)

中圖法分類號(hào)：X820.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.07.013

文章編號(hào)：1006-0081（2024）07-0074-07

0 引 言

降雨徑流攜帶高負(fù)荷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。非點(diǎn)源污染包括 2個(gè)過(guò)程，首先是非點(diǎn)源污染負(fù)荷的坡面產(chǎn)生-輸移過(guò)程，即累積在流域地表的污染物受到降水沖刷作用，隨著徑流的形成和泥沙的輸移在陸地坡面產(chǎn)生污染負(fù)荷，并隨徑流與泥沙的輸移在流域內(nèi)增加和衰減，最終到達(dá)河道；第二個(gè)過(guò)程指非點(diǎn)源污染物在河道內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程［1］。不同降雨強(qiáng)度的徑流，其沖刷和稀釋能力會(huì)影響氮磷元素的輸出［2］。降雨量越大，降雨對(duì)地表的沖刷作用越強(qiáng)，隨著徑流量的增大，沖刷效果增強(qiáng)，河道水體氮磷濃度將發(fā)生變化。

董欣等［3］研究了城市降雨屋面、路面徑流水文水質(zhì)特征。趙劍強(qiáng)等［4］分析了高速公路路面徑流水質(zhì)特性、排污規(guī)律及其對(duì)河流水質(zhì)的影響。程紅光等［1］研究得出：當(dāng)降水大于400 mm后，吸附態(tài)氮和溶解態(tài)氮入河系數(shù)隨降水增加而增加。降雨形成的徑流是非點(diǎn)源污染物遷移的載體［5］。然而，少有學(xué)者研究降雨對(duì)河道水體水質(zhì)的影響。“23·7”特大暴雨是密云水庫(kù)上游流域10 a來(lái)首場(chǎng)大暴雨，本文在對(duì)暴雨前后逐周水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，分析此場(chǎng)暴雨對(duì)密云水庫(kù)上游河道水體水質(zhì)的影響，旨在為減小暴雨對(duì)密云水庫(kù)水體水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)提供參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 密云水庫(kù)上游流域概況

密云水庫(kù)位于北京東北方向密云區(qū)境內(nèi)，北緯40°19′～41°38′，東經(jīng)115°25′～117°35′。水庫(kù)流域地勢(shì)西北高、東南低，河道彎曲，坡陡流急，具有山高、坡陡、溝深及流急等特點(diǎn)［6］。上游河道涉及清水河、安達(dá)木河、潮河、芒牛河、白馬關(guān)河、湯河、天河、渣汰河、白河、琉璃廟河及對(duì)家河等河流。其中，潮河和白河是密云水庫(kù)主要入庫(kù)河流，分別發(fā)源于燕山山脈的承德和張家口，流經(jīng)京津地區(qū)匯入渤海。白河入庫(kù)和潮河入庫(kù)分別下設(shè)張家墳水文站和下會(huì)水文站。

密云水庫(kù)上游流域?qū)僦芯暥却箨懶约撅L(fēng)氣候，降雨主要集中在6～9月。1998年7月6日洪峰流量達(dá)2 600 m3/s，1972年7月28日洪峰流量為2 250 m3/s，1974年7月25日洪峰流量為1 610 m3/s，分別為密云水庫(kù)建庫(kù)以來(lái)第一大洪水、第二大洪水及第三大洪水。2023年7月31日，密云水庫(kù)上游流域降水表現(xiàn)為暴雨級(jí)別，局地大暴雨，累計(jì)來(lái)水量1.24億m3。其中，白河張家墳水文站洪峰流量高達(dá)1 430 m3/s，成為密云水庫(kù)建庫(kù)以來(lái)第四大洪水。

2023年7月31日，密云水庫(kù)上游流域強(qiáng)降雨，短時(shí)雨強(qiáng)大，主要集中在密云水庫(kù)上游白河中下游，河道洪水漲幅明顯。監(jiān)測(cè)顯示：7月31日，平均小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)112.9 mm，7月29日08∶00水位173.44 m，流量0.174 m3/s；截至8月3日，水位已達(dá)173.49 m，流量達(dá)0.464 m3/s。 此次流域降雨過(guò)程從7月29日開(kāi)始至8月3日結(jié)束，7月29日為小雨1.3 mm，7月31日為大暴雨100.2 mm，8月2日為小雨3.8 mm［7］。

1.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法

1.2.1 監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)

依據(jù)地表水監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置原則［8］，斷面在總體和宏觀上應(yīng)能反映水系或區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量狀況，各斷面具體位置應(yīng)能反映區(qū)域環(huán)境污染特征，盡可能以最少的斷面獲取足夠代表性的環(huán)境信息?？紤]到北京“23·7”特大暴雨集中在白河流域，空間分布上，選取密云水庫(kù)上游流域的白河流域及上游代表性強(qiáng)的河流，白馬關(guān)河、湯河、天河、渣汰河、白河及對(duì)家河，依次布設(shè)石佛橋、喇叭溝門(mén)、四道河、牛圈子、大關(guān)橋及水堡橋共6個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面。密云水庫(kù)流域監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)見(jiàn)圖1。

1.2.2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)與測(cè)定方法

及時(shí)將采集的徑流水樣送至實(shí)驗(yàn)室，并于 24 h內(nèi)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)分析。根據(jù)北京“23·7”特大暴雨徑流污染特征，選定9個(gè)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析，包括理化指標(biāo)4項(xiàng)（水溫、pH、溶解氧及濁度），營(yíng)養(yǎng)鹽及有機(jī)污染綜合指標(biāo)5項(xiàng)（高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、硝氮、總磷及總氮），各指標(biāo)監(jiān)測(cè)方法見(jiàn)表 1。

2 “23·7”特大暴雨對(duì)水庫(kù)上游水質(zhì)影響

2.1 密云水庫(kù)河道水質(zhì)現(xiàn)狀

以GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［9］為評(píng)價(jià)依據(jù)，選取地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目24項(xiàng)、集中式生活飲用水地表水源地補(bǔ)充項(xiàng)目5項(xiàng)。密云水庫(kù)上游河道水體，除營(yíng)養(yǎng)鹽及有機(jī)綜合指標(biāo)符合地

表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類外，其余28項(xiàng)均符合地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 密云水庫(kù)上游河道水質(zhì)影響

2023年7月29日至8月3日，受臺(tái)風(fēng)“杜蘇芮”影響，密云水庫(kù)流域出現(xiàn)明顯強(qiáng)降雨過(guò)程，流域平均降雨量120 mm，張家墳水文站10 h內(nèi)連續(xù)測(cè)得1 000 m3/s和1 430 m3/s洪峰值。本文分析北京“23·7”特大暴雨對(duì)密云水庫(kù)水質(zhì)影響，在時(shí)間序列上，定義7月17～24日為暴雨前階段，7月31日至8月7日為暴雨中階段、8月21～28日為暴雨后階段。分析前中后階段密云水庫(kù)上游河道水體水質(zhì)變化趨勢(shì)，9項(xiàng)指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

2.2.1 理化指標(biāo)變化

（1） 水溫。上游6條主要河道水體水溫呈現(xiàn)先下降后緩慢上升趨勢(shì)，尤以對(duì)家河河道水體變化最為明顯，渣汰河河道次之。與暴雨前階段相比，暴雨中階段上游河道水體平均水溫下降6.3%；與暴雨中階段相比，暴雨后階段上游水體平均水溫上升5.5%。強(qiáng)降雨入河道水體，會(huì)引起水層的迅速交換。北京“23·7”特大暴雨強(qiáng)度較大，密云水庫(kù)10 h迎來(lái)雙洪峰。截至8月3日，密云水庫(kù)流域已近飽和狀態(tài)，五大區(qū)間之一的對(duì)家河首先產(chǎn)生徑流。較冷的雨水與河道水體表層的“熱水”迅速融合，導(dǎo)致水體表層的“熱水”溫度迅速降低。這與密云水庫(kù)流域上游6條河道中對(duì)家河河道水體水溫降幅最大相符（圖2）。

（2） pH?！?3·7”暴雨中階段，密云水庫(kù)上游河道水體pH下降趨勢(shì)顯著。其中，石佛橋和水堡橋監(jiān)測(cè)斷面pH下降幅度最大，7月31日環(huán)比上周均下降6.9%。雨水的酸化受制于降水強(qiáng)度，雨水中的 H+濃度隨降水強(qiáng)度的減弱而升高，這取決于大氣中水汽與酸性氣體的接觸時(shí)間［10］。 暴雨后階段，隨著雨水強(qiáng)度的減弱，pH有下降的趨勢(shì)。對(duì)家河河道和白河河道變化趨勢(shì)明顯，暴雨后階段環(huán)比暴雨中階段，水堡橋和大關(guān)橋監(jiān)測(cè)斷面pH分別下降47%及70%，降幅居6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面之首（圖3）。此外，pH降低的原因還包括水體缺乏陽(yáng)光照射，藻類產(chǎn)氧通道被阻斷，導(dǎo)致水體在雨強(qiáng)較大時(shí)溶解氧快速降低。

（3） 濁度。北京“23·7”特大暴雨前中后階段，密云水庫(kù)上游河道水體濁度變化趨勢(shì)較為一致，如圖4所示。相比較于白馬關(guān)河、天河、對(duì)家河，渣汰河、湯河以及白河的濁度上升幅度較大。其中，湯河及白河7月31日濁度環(huán)比上周均上漲13倍，而渣汰河環(huán)比上周上漲11倍。6條主要河道水體暴雨中階段平均濁度環(huán)比暴雨前階段平均濁度上漲458%，而暴雨后階段環(huán)比暴雨中階段下降87%。這是因?yàn)楸┯戤a(chǎn)徑流攜帶懸浮物匯入河道水體，水體懸浮物和濁度顯著上升。在暴雨的后階段懸浮物逐漸減少，濁度漸降（圖4）。

（4） 溶解氧。溶解氧是衡量水體生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的重要指標(biāo)之一，其含量的高低對(duì)水生生物、水環(huán)境、水體化學(xué)特性等方面都有著明顯的影響［11］。通過(guò)圖5可以看出，水庫(kù)上游6條主要河道水體的溶解氧均呈波浪式變化。溶解氧的大小決定水體的物理、化學(xué)和生物化學(xué)活性。以白河河道水體大關(guān)橋監(jiān)測(cè)斷面為例，溶解氧與溫度的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)明顯相關(guān)性，水溫升高，溶解氧降低，反之亦然。這是因?yàn)樗w溶解氧濃度在壓力穩(wěn)定的前提下，隨溫度變化而變化，水溫越低，溶解氧含量越高。

2.2.2 營(yíng)養(yǎng)鹽及有機(jī)綜合指標(biāo)分析

北京“23·7”特大暴雨對(duì)密云水庫(kù)上游河道水體水質(zhì)的影響分析包括營(yíng)養(yǎng)鹽及有機(jī)綜合指標(biāo)5項(xiàng)：總磷、總氮、硝酸鹽氮、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)。整個(gè)暴雨過(guò)程中，密云水庫(kù)主要河道水體的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度受暴雨影響明顯，呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)。降雨是河道水體受面源污染的重要誘因，具體分析如下。

（1） 總磷。磷是一種難以移動(dòng)的元素，進(jìn)入土壤的磷極易被土壤固定，土壤養(yǎng)分是面源污染的重要影響因子。在北京“23·7”特大暴雨前中后階段，密云水庫(kù)上游6條主要河道水體，總磷濃度變化趨勢(shì)一致。與暴雨前階段相比，暴雨中階段上游河道水體總磷平均濃度上漲196%；與暴雨中階段相比，暴雨后階段上游水體平均下降70%。 暴雨中階段總磷濃度最高值出現(xiàn)在湯河的喇叭溝門(mén)監(jiān)測(cè)斷面，7月31日，該斷面總磷濃度達(dá)0.17 mg/L（圖6）?？偭装ㄈ芙獾?、顆粒的、有機(jī)和無(wú)機(jī)形態(tài)的磷。湯河河道水體總磷濃度迅速上升，是高強(qiáng)度的降雨對(duì)湯河流域面源污染的集中匯聚，土壤養(yǎng)分流入湯河河道，導(dǎo)致喇叭溝門(mén)監(jiān)測(cè)斷面總磷濃度升高幅度大。渣汰河河道牛圈子監(jiān)測(cè)斷面的總磷濃度雖不是6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面中最高的，但其7月31日的總磷濃度漲幅最大，環(huán)比上周漲700%。這與密云水庫(kù)流域降水面雨量密切相關(guān)，四海雨量監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)顯示渣汰河降雨量最大，高強(qiáng)度的降雨對(duì)農(nóng)田土壤總磷的沖刷作用顯著，河道水體總磷濃度升幅明顯。

（2） 總氮。密云水庫(kù)上游河道水體總氮濃度變化趨勢(shì)見(jiàn)圖7。7月31日，石佛橋、喇叭溝門(mén)、四道河、牛圈子、大關(guān)橋和水堡橋監(jiān)測(cè)斷面的總氮濃度環(huán)比上漲390%，480%，219%，163%，26%及7%。其中，湯河河道水體的總氮濃度上升幅度最大，白馬關(guān)河、天河升幅緊隨其后。6條河道水體中，除白河河道水體外，其他5條河流水體總氮濃度均在7月31日出現(xiàn)峰值，白馬關(guān)河及對(duì)家河河道水體總氮濃度已達(dá)7.87 mg/L及5.87 mg/L，分別超GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)》14.7倍及10.7倍。暴雨后階段密云水庫(kù)上游6條主要河道水體總氮濃度環(huán)比暴雨中階段下降36.2%，而暴雨中階段環(huán)比暴雨前階段上漲89.1%。顯然，暴雨后的第3周，上游河道水體總氮濃度未恢復(fù)至暴雨發(fā)生前濃度。河道平均濃度為2.74 mg/L，高出暴雨前階段20.7%。

（3） 氨氮。氨氮是水體中的營(yíng)養(yǎng)素，是水體中的主要耗氧污染物，對(duì)魚(yú)類及某些水生生物有毒害［12］。水中的氨氮可以在一定條件下轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽，如果長(zhǎng)期超量飲用，亞硝酸鹽將和蛋白質(zhì)結(jié)合形成亞硝胺，有強(qiáng)致癌特性，不宜于人體健康。氨氮對(duì)水生物起危害作用的主要是游離氨，其毒性比銨鹽大幾十倍，并隨堿性的增強(qiáng)而增大。密云水庫(kù)上游河道水體氨氮呈下降趨勢(shì)，因此，在暴雨中后階段氨氮的毒性短期內(nèi)不會(huì)釋放。密云水庫(kù)上游河道水體氨氮濃度變化趨勢(shì)見(jiàn)圖8。暴雨前、中、后階段，6條河道水體平均氨氮濃度分別為0.20，0.57，0.28 mg/L。7月31日，氨氮環(huán)比上周漲幅濃度居前3的是對(duì)家河河道、白河河道以及天河河道，分別上漲464%、430%及275%。

（4） 硝酸鹽。硝酸鹽具有較高的流動(dòng)性，被認(rèn)為是流域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源氮素污染的主要存在形式［13］。研究發(fā)現(xiàn)，在一些高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)期，如降水事件［14］，水化學(xué)組成及硝酸鹽氮氧同位素的變化較大。流域水體的硝酸鹽濃度變化與土地利用類型有很強(qiáng)的相關(guān)性［15］。由圖9得知，白馬關(guān)河、湯河、天河及渣汰河暴雨中階段環(huán)比前階段，硝酸鹽氮濃度分別上漲754%，356%，201%及155%。由此可見(jiàn)，密云水庫(kù)上游流域6條主要河道中，白馬關(guān)河及湯河流域的農(nóng)業(yè)面源污染，對(duì)此次暴雨密云水庫(kù)上游流域營(yíng)養(yǎng)鹽變化趨勢(shì)貢獻(xiàn)較大。

（5） 高錳酸鹽指數(shù)。北京“23·7”特大暴雨期間，密云水庫(kù)上游河道水體有機(jī)綜合指標(biāo)高錳酸鹽指數(shù)變化情況如圖10所示。暴雨前、中、后階段，6個(gè)主要監(jiān)測(cè)斷面高錳酸鹽指數(shù)變化趨勢(shì)相一致。暴雨中階段，6條河道水體平均值環(huán)比暴雨前上升27.5%。7月31日，白馬關(guān)河、湯河、天河、渣汰河、白河及對(duì)家河的高錳酸鹽指數(shù)環(huán)比上周分別上漲60.0%，13.0%，28.6%，13.6%，38.1%及43.8%?？梢钥闯?，白馬關(guān)河、對(duì)家河及白河水體受有機(jī)和無(wú)機(jī)可氧化物質(zhì)污染的程度相對(duì)較大。在暴雨后階段，6條主要河道水體高錳酸鹽指數(shù)平均值降為2.27 mg/L，符合GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論與建議

“23·7”特大暴雨作為密云水庫(kù)上游流域10 a來(lái)首次大暴雨，受土壤養(yǎng)分以及地質(zhì)水文等影響，密云水庫(kù)上游河道水體徑流中硝酸鹽氮濃度變化幅度相對(duì)較大，湯河總氮濃度變化最大，渣汰河總磷變化最大。密云水庫(kù)上游6條主要河道水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度均呈現(xiàn)暴雨中階段上升、后階段下降趨勢(shì)。4項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)中，暴雨中階段環(huán)比暴雨前階段，漲幅最大的指標(biāo)是硝酸鹽氮，達(dá)243%；暴雨后階段環(huán)比暴雨中階段，降幅最大的指標(biāo)是總磷，幅度為70%。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，暴雨3周后，6條主要河道平均營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，除總磷外，總氮、氨氮及硝酸鹽氮均未恢復(fù)到暴雨前水平。由此可見(jiàn)，北京“23·7”特大暴雨對(duì)密云水庫(kù)上游河道水體影響較大的是氮系列。

為降低暴雨引發(fā)密云水庫(kù)上游河道水體水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)，有效降低強(qiáng)降雨沖刷引發(fā)的非點(diǎn)源污染對(duì)密云水庫(kù)水質(zhì)的影響，建議高度重視降雨預(yù)警應(yīng)急響應(yīng)工作，并采取以下措施。

（1） 修復(fù)生物群落。生物的新陳代謝驅(qū)使物質(zhì)循環(huán)，建立穩(wěn)定的循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的污染自凈能力，降低暴雨徑流引發(fā)水質(zhì)惡化現(xiàn)象發(fā)生幾率。

（2） 開(kāi)展氮源污染調(diào)查。從密云水庫(kù)上游流域出發(fā)，以白馬關(guān)河、湯河以及對(duì)家河流域重點(diǎn)。密云水庫(kù)上游潮河流域、白馬關(guān)河流域、近密云水庫(kù)分水嶺外側(cè)及內(nèi)側(cè)流域面源污染風(fēng)險(xiǎn)因子較高［16］。優(yōu)化白馬關(guān)河及湯河流域農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，減小這3個(gè)流域的氮養(yǎng)分源。

（3） 減小暴雨徑流引發(fā)的磷源流失風(fēng)險(xiǎn)。可通過(guò)作物磷高效利用基因型的改良與定向培育，施用含解磷菌的菌肥，如果能充分挖掘及利用這部分磷，不僅可以節(jié)省大量資金與能源，而且加快磷的生物循環(huán)，有效阻止磷素的流失及對(duì)環(huán)境的污染，對(duì)維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展也具有重要的作用［17］。

（4） 截除點(diǎn)源污染，規(guī)范流域污染物排放。嚴(yán)禁糞便隨意堆放和排放，畜禽糞便歸田實(shí)現(xiàn)其資源化利用。加強(qiáng)公眾呼吁，實(shí)現(xiàn)堆放垃圾、生活污水傾倒、糞便排放均各自到指定處置區(qū)域。

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（編輯：李 慧）

Influence of Beijing′s \"23·7\" heavy rainfall on water quality of upper reaches of Miyun Reservoir

LUAN Fangfang

（Beijing Miyun Reservoir Management Office，Beijing 101512，China）

Abstract：

Due to the influence of typhoon \"Dusuri\"，the upstream basin of Miyun Reservoir was affected by heavy rainfall. Aiming at the water body of the upstream channel of Miyun Reservoir，this paper selected 9 indicators，the physical and chemical indexes of 6 main monitoring sections and comprehensive indexes of nutrient salt and organic pollution before and after the Beijing \"23·7\" heavy rainstorm as research objects to analyze the influence of the \"23·7\" heavy rainstorm on the water quality of the upstream water body of Miyun Reservoir. The results showed that the water quality indexes of \"23·7\" main rivers had an obvious changing trend with the heavy rainstorm process. After the heavy rainstorm，the water temperature of the upstream channel of Miyun Reservoir decreased first and then rised slowly，and the pH decreased significantly and the turbidity increased greatly in the mid-period of the rainstorm. With the change of physical and chemical environment of water body，the concentration of nutrient salt and organic comprehensive index increased first and gradually stabilized during the whole rainstorm period.

Key words：

water quality analysis； environmental impact； Beijing \"23·7\" heavy rainstorm； Miyun Reservoir